CN110761749B - 一种天然气水合物的合成及开采模拟实验系统及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种天然气水合物的合成及开采模拟实验系统及实验方法，通过储气罐中的CH4气体和第一储液池中的清水合成可燃冰，利用控温箱、备压阀和活塞容器组成可燃冰的开采试验系统，通过采集温度、压力和抑制剂的用量，来分析温度、压力和抑制剂用量对可燃冰开采的影响，同时，通过填砂管上面温度、压力探头测试其内部温度、压力的变化情况，便于开展进一步详细分析研究；同时，通过单向阀防止实验系统中由于空气干扰出现的倒吸现象，提高实验的精确率；通过备压阀、第四压力计、注液泵和第五压力计，实现对气体或液体压力的精准控制，防止出现脉冲，提高计量和实验效果的准确性；本发明结构简单，不仅操作方便，还能对实验过程进行更好的控制。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物开发领域，具体涉及一种天然气水合物的合成及开采模拟实验系统及实验方法。
背景技术
天然气水合物是一种自然存在的微观结构为笼型的化合物，它的分子式现已被证实为CH4·8H2O，即为一个甲烷分子被包围在8个水分子所形成的笼型结构中。“可燃冰”是它的俗称，因其外观结构像冰一样，而且遇火即可燃烧而得名。“可燃冰”是一种高效清洁能源，燃烧热值高的能源，它燃烧产生的能量比相同质量的普通化石燃料要多出数十倍。
据科学家估计，可燃冰全球总资源量约10万亿吨油当量，可供人类使用6.4万年，仅海底可燃冰储量可供人类使用1000年。虽然全球可燃冰储量巨大，但可燃冰开采技术并不成熟。随着人们对可燃冰研究的进一步深入，许多开采方法被提出来。其主要原理为改变可燃冰储层的温度、压力，打破其相平衡，使可燃冰分解得到甲烷气体。
因此，目前对可燃冰的开采仍处于试验阶段，目前已知的主要的开采方法有降压开采法、加热开采法、化学试剂开采法等。
(1)降压法：通过降低水合物层压力，使其低于水合物在该区域温度条件下相平衡压力，从而使水合物从固态分解相变产生甲烷气体的过程。降压法开采井设计与常规油气开采相近，渗透性较好的水合物藏内压力传播很快，因此，被认为是最经济、有效、简单的开采方式。主要缺点是由于水合物分解相变所需潜热很大，水合物的分解引起局部温度降低，从而可能引起水合物的二次生成或者冰的生成，堵塞渗透路径，影响长期开采效率。
(2)加热法(注热)：通过升高水合物地层的温度，使地层的温度高于水合物在该区域孔隙水或气压力条件下的相平衡温度而分解相变产生甲烷气体的过程。目前提出加热的方式有注入温度较高的热水或海水、利用地热、电磁加热、微波加热、蒸汽吞吐等。缺点是不仅要供给水合物分解相变的热量，也要加热沉积物、孔隙气体和液体，同时上下边界层存在散热，热量损失很大。因此，单独加热法开采水合物的效率较低，费用较高。
(3)抑制剂法：通过在地层中注入化学抑制剂(例如甲醇等)，提高水合物形成的相平衡条件，使得地层的孔隙压力和温度条件不能满足水合物的相平衡，从而水合物分解相变产生甲烷气体而收集的方法。缺点是需要大量昂贵的抑制剂，水合物分解产生水稀释抑制剂而降低其效果，又可能造成环境污染，且效率不是很高。
可燃冰开采技术的研究是当前行业内的一个热点方向，现有的天然气水合物的合成及开采研究的实验系统具有以下几个方面缺点：(1)相应的气体、液体输出时，对压力的控制方面，设计的比较简单，导致输出压力不够稳定，可能有脉冲，影响计量的准确性和实验效果。(2)可燃冰形成后，内部温度、压力的具体分布情况测量不够准确，精度不够，给实验研究带来不便。(3)有的没有排除实验系统中空气干扰，或者排出时存在倒吸现象，给实验测试带来误差，有的还存在安全隐患。(4)有的设备操作不方便，不能对实验过程进行更好地控制，给试验研究的开展带来极大不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种天然气水合物的合成及开采模拟实验系统及实验方法，解决了现有技术中的不足。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种天然气水合物的合成及开采模拟实验系统，包括储气罐、第三阀、第二减压阀、第四压力计、流量计、第一单向阀、预热器、第七阀、活塞容器、第八阀、第九阀、注液泵、第一储液池、第五压力计、填砂管、控温箱、备压阀和气液分离器，其中，储气罐用于储存高压CH4气体，其气体出口依次经过第三阀、第二减压阀、第四压力计、流量计和第一单向阀与安装在控温箱内的填砂管的气体入口连接；第一储液池用于储存清水，其出口依次经过注液泵、第九阀、活塞容器和第七阀与预热器的入口连接；第九阀的入口和第七阀的出口分别与第八阀的两端连接；预热器的出口经过第二单向阀和第五压力计与填砂管的入口连接；所述填砂管出口经过备压阀与气液分离器连接。
优选地，储气罐上设置有CH4气体入口，所述CH4气体入口依次与气体增压泵、第一阀和用于存储CH4气体的气瓶连接；第一阀与气体增压泵之间第一压力计。
优选地，所述气体增压泵上还连接有动力系统；所述动力系统包括静音空压机、第一减压阀和第二阀，其中，静音空压机通过第一减压阀和第二阀与气体增压泵连接；第一减压阀和第二阀之间设置有第二压力计。
优选地，储气罐和填砂管之间的连接管道上依次设置有第四阀和第五阀；第四阀的入口和第五阀的出口分别与第六阀的两端连接。
优选地，填填砂管的侧壁上设置有透明观察窗；同时，填砂管上沿其轴向方向等距布置有若干个温度测点和同等数量的压力测点。
优选地，填砂管的出口处和备压阀之间设置有用于过滤可燃冰固体杂质的过滤器；填砂管的出口还连接有缓冲罐，所述缓冲罐上设置有真空泵。
优选地，气液分离器的气体出口连接气体外界设备，气液分离器的液体出口经过第十六阀连接第二储液池。
优选地，所述备压阀侧面依次连接有回压容器、手摇泵和储液罐。
一种天然气水合物的合成及开采模拟实验方法，基于所述的一种天然气水合物的合成及开采模拟实验系统，包括以下步骤：
1)检查气密性质，抽真空：
检查该实验系统气密性；关闭第八阀、第七阀和第九阀和背压阀，对实验系统抽真空，排出空气对实验效果干扰；
2)合成可燃冰：
将备压阀调节到实验目标压力，打开第三阀，将储气罐中储存的CH4经过第二减压阀减压后，经过流量计输送到填砂管；
打开第八阀，关闭第七阀和第九阀，第一储液池中装满足够清水，利用注液泵将清水经预热器加热到适当的温度后，注入填砂管；
3)进行开采模拟试验：根据实验目的选择用化学抑制剂法、加热法、降压法进行开采模拟试验：
化学抑制剂法：关闭第八阀(24)，打开第七阀(22)和第九阀(25)，将化学试剂装入活塞容器(23)上部，第一储液池(27)中装满清水，利用注液泵(26)注入清水，进入活塞容器(23)顶替化学试剂经预热器(21)加热到试验所需温度后，注入填砂管(30)进行化学抑制剂法试验；
加热法：调节备压阀(46)控制的实验回压到目标压力，通过调节控温箱(31)对填砂管内可燃冰加热到实验温度，或者通过注液泵(26)注入热水进行加热法试验；
降压法：调节备压阀(46)控制的实验回压到不同实验目标压力，将控温箱(31)设定到实验温度不变，进行降压法试验；
试验结束后，可燃冰分解后，进入气液分离器进行气液分离。
优选地，加热法试验，利用注液泵注入试验所需的温度及排量的热水，通过研究注入热水的质量、温度和排量实现对可燃冰开采情况的影响。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种天然气水合物的合成及开采模拟实验系统及实验方法，通过储气罐中的CH4气体和第一储液池中的清水合成可燃冰，利用控温箱、备压阀和活塞容器组成可燃冰的开采试验系统，通过采集温度、压力和抑制剂的用量，来分析温度、压力和抑制剂用量对可燃冰开采的影响，同时，通过填砂管上面温度、压力探头测试其内部温度、压力的变化情况，便于开展进一步详细分析研究；
同时，通过单向阀防止实验系统中由于空气干扰出现的倒吸现象，提高实验的精确率；
通过备压阀、第四压力计、注液泵和第五压力计，实现对气体或液体压力的精准控制，防止出现脉冲，提高计量和实验效果的准确性；
通过控温箱实现对填砂管内部温度、压力的具体分布情况精准测量，提高实验的准确性和效率；本发明结构简单，不仅操作方便，还能对实验过程进行更好的控制。
进一步的，通过缓冲罐和真空泵的组合，实现抽真空排除空气对实验效果的干扰，且防止抽出水等液体倒吸回到填砂管。
进一步的，备压阀的侧面设置的回压容器和手摇泵，使得压力控制更加准确，操作方便适用。
附图说明
图1是本发明涉及的开采模拟实验系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种天然气水合物的合成及开采模拟实验系统，包括气瓶1、第一阀2、第一压力计3、气体增压泵4、第二阀5、第二压力计6、第一减压阀7、静音空压机8、第三压力计9、储气罐10、第三阀11、第二减压阀12、第四压力计13、第四阀14、流量计15、第五阀16、第六阀17、第一单向阀18、第二单向阀19、温度计20、预热器21、第七阀22、活塞容器23、第八阀24、第九阀25、注液泵26、第一储液池27、第十阀28、第五压力计29、填砂管30、控温箱31、第六压力计32、过滤器33、第十一阀34、第十二阀35、第七压力计36、真空泵37、缓冲罐38、第十三阀39、储液罐40、第十四阀41、手摇泵42、第十五阀43、第八压力计44、回压容器45、备压阀46、湿式气体流量计47、气液分离器48、第十六阀49和第二储液池50，其中，气瓶1、第一阀2和第一压力计3依次与气体增压泵4的入口相连；气瓶1为气体增压泵4提供充足气源。
静音空压机8、第一减压阀7、第二压力计6和第二阀5依次与气体增压泵4相连，为气体增压泵4提供动力。
气体增压泵4出口依次与储气罐10、第三阀11、第二减压阀12、第四压力计13、第四阀14、流量计15、第五阀16和第一单向阀18相连接。
所述储气罐10上设计有第三压力计9。
所述第一储液池27、注液泵26、第九阀25、活塞容23、第七阀22和预热器21依次与第二单向阀19入口依次相连接。
所述第九阀25入口和第七阀22出口分别与第八阀24两端相连接。
所述预热器21上设置有温度计20。
所述预热器21可以根据实验需要，对流经的清水或者抑制剂加热。
所述流量计15可以计量流经的CH4的质量，所述注液泵26可以计量注入清水的质量。
所述第一单向阀18出口和第二单向阀19出口均与第五压力计29、填砂管30、第六压力计32、第十二阀35、缓冲罐38和第十三阀39依次相连接。
真空泵37可以抽真空排除空气对实验效果的干扰。通过第七压力计36的指针移动情况判断抽真空是否彻底。
缓冲罐38可以除了抽气体缓冲作用外，可以起到防止抽出水等液体倒吸回到填砂管30，可以存储抽出的水等液体。
缓冲罐38的顶部设置有第七压力计36和真空泵37。
紧靠填砂管30的入口处设计有第十阀28，紧靠填砂管30的出口处设计第十一阀34和过滤器33。
所述填砂管30侧面设置有透明观测窗，可以肉眼观测内部形成可燃冰的形态等。
所述填砂管30还均布有10个温度测点和同等数量的压力测点，所述温度测点和压力测点均沿填砂管30的轴向方向等间距分布，具体测点数量可以根据实验需要灵活增减。
所述第十阀28、第五压力计29、填砂管30、第六压力计32、过滤器33和第十一阀34均置于控温箱31内部。
所述控温箱31可以根据实验需要，灵活设置实验温度。
所述过滤器33的出口依次与备压阀46、气液分离器48、第十六阀49和第二储液池50相连接。
气液分离器48的顶部连接有湿式气体流量计47。
所述第二储液池50可以计量内部储层清水的质量。
所述过滤器33可以过滤流经的可燃冰固体杂质。
所述备压阀46侧面依次与回压容器45、第八压力计44、第十五阀43、手摇泵42、第十四阀41和储液罐40相连接。回压容器45等目的是使得手摇泵42更好地控制备压阀46，使得压力控制更加准确，操作方便适用。
所述系统所有连接管线均采用316L管线，以防内部流体对管线的腐蚀，且管线均用保温材料缠绕包裹，防止局部温度降低，从而可能引起水合物的二次生成或者冰的生成，堵塞管路，影响实验开展效果，给实验造成安全隐患。
所述排量、温度、压力等参数均可以通过数据采集控制卡采集数据，用于对实验系统内的流量、温度、压力进行实时监控和数据采集。
本发明提供的一种天然气水合物的合成及开采模拟实验方法，包括以下步骤：
(1)如图1所示，检查装置气密性，然后打开真空泵37，排空实验系统和管线内部空气，从而排出空气对实验的干扰。将第一储液27内部注入足量清水，为实验做好准备。
(2)储存气体：打开第一阀2，第二阀5，第一减压阀7，关闭第三阀11。所述气瓶1中储存足够CH4气体，为气体增压泵4提供充足气源。所述第一减压阀7可以将静音空压机8输出的空气调节到适当的压力，从而为气体增压泵4提供动力。气瓶1中储存足够CH4气体，经过气体增压泵4增压后储存在储气罐10中。所述储气罐10可以存储一定量高压气体，为可燃冰的合成提供稳定的CH4供应。
(3)注入CH4：关闭第十阀28、第十一阀34和第十二阀35，将备压阀46调节到实验目标压力，打开第三阀11，将储气罐10中储存的CH4气体经过第二减压阀12减压后，经过流量计15输送到填砂管30。并且根据实验需要将控温箱调节到目标温度。可以利用流量计15计量输入填砂管30的CH4气体质量M1；其中，第十阀28、第十一阀34是支路放空清洗设备用的。
清洗及保养时，可以根据需要打开第六阀17，关闭第四阀14和第五阀16，使得气体不流经流量计15，减少流量计15使用频率，起到保护作用，增加它寿命。实验结束时，可以打开第十阀28和第十一阀34方便放空清洗。
(4)合成可燃冰：打开第八阀24，关闭第七阀22和第九阀25，第一储液池27中装满足够清水，利用注液泵26将清水经预热器21加热到适当的温度后，注入填砂管30。温度计20可以计量预热器21预热后的液体温度情况。同时，利用注液泵26计量注入的清水质量M2。
(5)注入化学抑制剂：关闭第八阀24，打开第七阀22和第九阀25，将适量化学试剂装入活塞容器23上部，第一储液池27中装满足够清水，利用注液泵26将化学试剂经预热器21加热到适当的温度后，注入填砂管30。温度计20可以计量预热器21预热后的液体温度情况。同时，利用注液泵26计量注入的化学抑制剂体积，测试其密度后，进而可以算出注入抑制剂质量M6。注入化学抑制剂不与水发生化学反应。
(6)可燃冰合成后储存在填砂管30内部，可燃冰合成后，可以通过实验模拟降压法、加热法或注入抑制剂法开采可燃冰，得到可燃冰开采的影响因素，所述影响因素包括填砂管温度、填砂管压力和抑制剂用量。
加热法：根据实验需要，调节备压阀46控制的实验回压到目标压力，通过调节控温箱31，对填砂管内可燃冰加热到一定实验温度；或者利用注液泵26按照一定排量、温度注入热水，研究注入热水质量，温度，排量等对开采情况的影响。同时通过填砂管上面温度、压力探头测试内部可燃冰的温度、压力分布和变化情况。
降压法：根据实验需要，调节备压阀46控制的实验回压到不同实验目标压力，将控温箱31设定到一定实验温度不变，同时通过填砂管上面温度、压力探头测试内部温度、压力分别和变化情况。
注入抑制剂法：将适量化学试剂装入活塞容器23上部，利用注液泵26将化学试剂经预热器21加热到适当的温度后，注入填砂管30。温度计20可以计量预热器21预热后的液体温度情况。同时，利用注液泵26计量注入的化学抑制剂体积。同时通过填砂管上面温度、压力探头测试内部温度、压力分别和变化情况。
实验过程中，可以根据需要调节备压阀46控制的实验回压；当可燃冰分解后，形成的CH4、水、抑制剂等流体进入气液分离器48，其中CH4气体通过湿式气体流量计47计量M3，分解形成的水和抑制剂由第二储液池计量质量M4。
根据可燃冰的分子式特点可知，合成可燃冰注入的CH4质量M1，清水M2的质量需按照1比9比例注入。在充分反应，且经过足够长的时间稳定后，通过上述计量可以得出一定温度、压力条件下，合成可燃冰的质量(M1+M2)和采收率。
利用控温箱加热或者通过调节背压阀46降压时：采收率为：(M3+M4)/(M1+M2)×100％。
注入热水开采时：假设合成可燃冰后注入热水质量为M5，采收率为：(M3+M4-M5)/(M1+M2)×100％。
注入抑制剂开采时：假设注入抑制剂质量为M6，采收率为：(M3+M4-M6)/(M1+M2)×100％。
此外还可以通过实验测试注入抑制剂或者清水的质量、排量，温度，压力等对采收率的影响。还可以通过填砂管侧面探头，测试上述实验过程中，填砂管内部可燃冰温度、压力的分布规律。
(6)清洗及保养实验系统。
Claims (6)
1.一种天然气水合物的合成及开采模拟实验系统，其特征在于，包括储气罐（10）、第三阀（11）、第二减压阀（12）、第四压力计（13）、流量计（15）、第一单向阀（18）、预热器（21）、第七阀（22）、活塞容器（23）、第八阀（24）、第九阀（25）、注液泵（26）、第一储液池（27）、第五压力计（29）、填砂管（30）、控温箱（31）、备压阀（46）和气液分离器（48），其中，储气罐（10）用于储存高压CH4气体，其气体出口依次经过第三阀（11）、第二减压阀（12）、第四压力计（13）、流量计（15）和第一单向阀（18）与安装在控温箱（31）内的填砂管（30）的气体入口连接；第一储液池（27）用于储存清水，其出口依次经过注液泵（26）、第九阀（25）、活塞容器（23）和第七阀（22）与预热器（21）的入口连接；第九阀（25）的入口和第七阀（22）的出口分别与第八阀（24）的两端连接；预热器（21）的出口经过第二单向阀（19）和第五压力计（29）与填砂管（30）的入口连接；所述填砂管（30）出口经过备压阀（46）与气液分离器（48）连接；
储气罐（10）上设置有CH4气体入口，所述CH4气体入口依次与气体增压泵（4）、第一阀（2）和用于存储CH4气体的气瓶（1）连接；第一阀（2）与气体增压泵（4）之间第一压力计（3）；
所述气体增压泵（4）上还连接有动力系统；所述动力系统包括静音空压机（8）、第一减压阀（7）和第二阀（5），其中，静音空压机（8）通过第一减压阀（7）和第二阀（5）与气体增压泵（4）连接；第一减压阀（7）和第二阀（5）之间设置有第二压力计（6）；
储气罐（10）和填砂管（30）之间的连接管道上依次设置有第四阀（14）和第五阀（16）；第四阀（14）的入口和第五阀（16）的出口分别与第六阀（17）的两端连接；
填砂管（30）的出口处和备压阀（46）之间设置有用于过滤可燃冰固体杂质的过滤器（33）；填砂管（30）的出口还连接有缓冲罐（38），所述缓冲罐（38）上设置有真空泵（37）。
2.根据权利要求1所述的一种天然气水合物的合成及开采模拟实验系统，其特征在于，填砂管（30）的侧壁上设置有透明观察窗；同时，填砂管（30）上沿其轴向方向等距布置有若干个温度测点和同等数量的压力测点。
3.根据权利要求1所述的一种天然气水合物的合成及开采模拟实验系统，其特征在于，气液分离器（48）的气体出口连接气体外界设备，气液分离器（48）的液体出口经过第十六阀（49）连接第二储液池（50）。
4.根据权利要求1所述的一种天然气水合物的合成及开采模拟实验系统，其特征在于，所述备压阀（46）侧面依次连接有回压容器（45）、第八压力计（44）、第十五阀（43）、手摇泵（42）、第十四阀（41）和储液罐（40）。
5.一种天然气水合物的合成及开采模拟实验方法，其特征在于，基于权利要求1-4中任一项所述的一种天然气水合物的合成及开采模拟实验系统，包括以下步骤：
1）检查气密性质，抽真空：
检查该实验系统气密性；关闭第八阀（24）、第七阀（22）和第九阀（25）和备压阀（46），对实验系统抽真空，排出空气对实验效果干扰；
2）合成可燃冰：
将备压阀（46）调节到实验目标压力，打开第三阀（11），将储气罐（10）中储存的CH4气体经过第二减压阀（12）减压后，经过流量计（15）输送到填砂管（30）；
打开第八阀（24），关闭第七阀（22）和第九阀（25），第一储液池（27）中装满足够清水，利用注液泵（26）将清水经预热器（21）加热到适当的温度后，注入填砂管（30）；
3）进行开采模拟试验：根据实验目的选择用化学抑制剂法、加热法、降压法进行开采模拟试验：
化学抑制剂法：关闭第八阀（24），打开第七阀（22）和第九阀（25），将化学试剂装入活塞容器（23）上部，第一储液池（27）中装满清水，利用注液泵（26）注入清水，进入活塞容器（23）顶替化学试剂经预热器（21）加热到试验所需温度后，注入填砂管（30）进行化学抑制剂法试验；
加热法：调节备压阀（46）控制的实验回压到目标压力，通过调节控温箱（31）对填砂管内可燃冰加热到实验温度，或者通过注液泵（26）注入热水进行加热法试验；
降压法：调节备压阀（46）控制的实验回压到不同实验目标压力，将控温箱（31）设定到实验温度不变，进行降压法试验；
试验结束后，可燃冰分解后，进入气液分离器（48）进行气液分离。
6.根据权利要求5所述的一种天然气水合物的合成及开采模拟实验方法，其特征在于，加热法试验，利用注液泵（26）注入试验所需的温度及排量的热水，通过研究注入热水的质量、温度和排量实现对可燃冰开采情况的影响。
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